曲面蜂窩板預(yù)埋管路輻射器熱性能試驗(yàn)研究

蘇 生，潘 維，范宇峰，鐘 奇

(1. 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京100094； 2. 空間熱控技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100094)

1 引言

輻射器是航天器長期熱耗的排散通道，以紅外輻射方式向宇宙空間散熱。 從輻射器自身來看，散熱能力與其表面紅外發(fā)射率、面積、溫度有關(guān)。 目前，輻射器表面所用涂層的發(fā)射率已達(dá)到較高值；而除了使用熱泵的特殊場(chǎng)合，輻射器溫度因受限于航天器設(shè)備溫度指標(biāo)要求而存在瓶頸。因此，為了適應(yīng)未來更大功率散熱需求，需要在傳統(tǒng)的航天器本體表面之外拓展出更多的輻射器面積，使用在軌可展開的輻射器。

國內(nèi)外對(duì)可展開輻射器已開展了廣泛研究，范圍涵蓋了用于空間望遠(yuǎn)鏡的40 K 低溫輻射器[1]、用于航天器設(shè)備散熱的260 ～320 K 溫區(qū)常溫輻射器[2-3]和用于核動(dòng)力裝置散熱的450 ～550 K溫區(qū)高溫輻射器[4-5]。 這些輻射器主要采用在蜂窩板內(nèi)預(yù)埋管路和在管路外焊接翅片兩種結(jié)構(gòu)形式，在綜合考慮重量和肋效率之后，管路間距選擇在100 ～200 mm 左右，輻射器表面均采用高紅外發(fā)射率涂層，研究內(nèi)容涵蓋了管路布局、換熱性能等方面。 但是以往研究涉及到的輻射器構(gòu)型無法滿足未來重復(fù)往返航天器的需求。 重復(fù)往返航天器結(jié)構(gòu)極為緊湊，要求輻射器具有曲面構(gòu)型、且有足夠剛度。 因此，需要開展曲面輻射器的相關(guān)研究。

本文對(duì)一種曲面可展開輻射器形式的換熱性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。 與傳統(tǒng)的平面輻射器相比，曲面輻射器的預(yù)埋翅片管路與輻射器蒙皮之間的熱耦合工藝難度更大，此處的熱耦合也容易產(chǎn)生較大的傳熱熱阻。 同時(shí)，考慮到在航天器熱排散路徑上，輻射器內(nèi)流體工質(zhì)與輻射器蒙皮之間的熱阻所占分量最大，對(duì)熱排散性能影響極大，因此，本文設(shè)計(jì)一種曲面輻射器，并對(duì)輻射器內(nèi)流體至輻射器蒙皮之間的熱阻進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量，對(duì)曲面熱耦合效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 輻射器設(shè)計(jì)狀態(tài)

本文以自行設(shè)計(jì)的曲面輻射器為研究對(duì)象，輻射板為已在軌應(yīng)用的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，在輻射板內(nèi)預(yù)埋熱總線管路，以目前成熟度最高的泵驅(qū)單相流體回路作為熱總線。 即輻射器采用蜂窩板內(nèi)預(yù)埋翅片式單相流體回路管路的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)狀態(tài)如圖1 所示，整體為長度2 m 的弧形板，弧形半徑為0.6 m。 如圖2 所示，輻射板總厚度16 mm，兩側(cè)表面為0.3 mm 厚的鋁蒙皮，中間夾層為鋁蜂窩芯，內(nèi)部預(yù)埋帶翅片鋁管路。 其中，蜂窩芯為邊長5 mm、厚度0.3 mm 的正六邊形結(jié)構(gòu)；預(yù)埋管路內(nèi)徑為10 mm，翅片寬度為30 mm。 預(yù)埋管路與兩側(cè)表面鋁蒙皮、內(nèi)部蜂窩芯膠接在一起。 預(yù)埋管路間距約為150 mm。

3 試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)方法

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)如圖3 所示，由輻射器、單相流體回路熱總線、流量計(jì)、薄膜型電加熱器、測(cè)溫?zé)崦綦娮?、風(fēng)扇、控制機(jī)柜、溫度采集與顯示系統(tǒng)等組成。單相流體回路熱總線由泵組件、自控閥、熱交換器、管路及工質(zhì)等組成。

圖3 試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.3 Testing system

試驗(yàn)系統(tǒng)置于室內(nèi)常溫常壓環(huán)境中。 在輻射器表面、管路表面及試驗(yàn)室環(huán)境中布置有熱敏電阻。 試驗(yàn)時(shí)，泵驅(qū)動(dòng)工質(zhì)在熱總線中循環(huán)流動(dòng)，對(duì)薄膜型電加熱器加電產(chǎn)生熱量，熱量通過熱交換器傳遞給工質(zhì)，被加熱的工質(zhì)在泵驅(qū)動(dòng)下流經(jīng)輻射器，在風(fēng)扇作用下，輻射器與外部低溫空氣進(jìn)行強(qiáng)迫對(duì)流換熱。

薄膜型電加熱器的加熱功率、泵組件和自控閥的運(yùn)行狀態(tài)均由控制機(jī)柜控制，通過溫度采集與顯示系統(tǒng)獲取熱敏電阻溫度數(shù)據(jù)。 為了便于控制試驗(yàn)條件，將輻射器背面包覆10 mm 厚橡塑海綿隔熱材料。 其中，定義輻射器弧面向外凸出一側(cè)為背面、另一側(cè)為正面。 風(fēng)扇放置于輻射器軸線方向，產(chǎn)生的氣流沿軸向與輻射器正面換熱。

輻射器熱敏電阻布置位置如圖4 所示。 在輻射器正面和背面，沿預(yù)埋管路流程布置有熱敏電阻，圖4 中的括號(hào)內(nèi)編號(hào)為背面熱敏電阻。 在輻射器正面，在預(yù)埋管路之外的面板上也布置有熱敏電阻。 此外，在輻射器進(jìn)口管路與出口管路上各布置有1 個(gè)熱敏電阻，并對(duì)管路包覆隔熱材料；懸空布置有1 個(gè)測(cè)量環(huán)境溫度的熱敏電阻，距離輻射器正面約500 mm。 除環(huán)境溫度測(cè)點(diǎn)外，其余熱敏電阻均粘貼在輻射器上，并在熱敏電阻外部包覆10 mm 厚橡塑海綿進(jìn)行隔熱處理。 實(shí)施隔熱包覆與熱敏電阻之后的輻射器實(shí)物見圖5。

圖4 熱敏電阻布局圖Fig.4 Distribution of thermistors

圖5 輻射器試驗(yàn)件Fig.5 Experimental product of radiator

3.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)通過測(cè)量輻射器散熱量與散熱溫差，計(jì)算出流體回路工質(zhì)與輻射器面板之間的熱阻。

一方面，在傳熱過程達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，輻射器散熱量等于流體回路工質(zhì)流經(jīng)輻射器時(shí)的內(nèi)能變化量，該值表示為式(1)：

式中，Q散熱為輻射器散熱量，ΔE為工質(zhì)內(nèi)能變化量，c為工質(zhì)比熱容(1 029 J/kg/℃)，ρ為工質(zhì)密度(1 789 kg/m3)，v·為工質(zhì)體積流量，Ti為進(jìn)口處工質(zhì)溫度，To為出口處工質(zhì)溫度。

另一方面，輻射器散熱量包含正面散熱量和背面散熱量兩部分。 而從圖2 可知，工質(zhì)至輻射器正面的熱阻和至輻射器背面的熱阻近似相等，于是有式(2)。

式中，T工質(zhì)取值為輻射器進(jìn)、出口工質(zhì)溫度的平均值；R為工質(zhì)至輻射器任意一側(cè)面板的熱阻；T正面為圖4 所示正面各測(cè)點(diǎn)溫度的面積平均值，T背面為背面各測(cè)點(diǎn)溫度的面積平均值。

綜合式(1)和式(2)，即可得到工質(zhì)與輻射器面板之間熱阻如式(3)所示。

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 試驗(yàn)工況

我國航天器流體回路的流量大約在80 ～900 L/h之間，對(duì)于全氟系列工質(zhì)，按傳熱學(xué)的管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱公式，可計(jì)算出工質(zhì)與管路壁面之間的熱阻不超過0.004 ℃/W，遠(yuǎn)小于管路壁面至輻射器蒙皮之間的導(dǎo)熱熱阻。 因此，設(shè)計(jì)試驗(yàn)工況時(shí)，不考慮不同流量帶來的影響。 在此前提下，按電加熱器的不同加熱功率和是否使用風(fēng)扇的組合情況，試驗(yàn)一共進(jìn)行了8 個(gè)工況，見表1，各工況下的工質(zhì)流量相同。 其中，電加熱器功率是施加到熱總線的熱交換器上的熱量，除輻射器外，熱總線上其它區(qū)域向環(huán)境存在漏熱，因此，表1 所列的電加熱功率僅作為區(qū)分工況的一個(gè)參數(shù)，并不代表輻射器散熱量。

表1 測(cè)試工況Table 1 Test Cases

工況穩(wěn)定判據(jù)為：各測(cè)點(diǎn)溫度值在1 h 內(nèi)的變化量不超過0.2 ℃。

4.2 管路預(yù)埋效果

預(yù)埋的翅片管路經(jīng)過鈑金成為曲面狀態(tài)，預(yù)埋在蜂窩芯中，再與蒙皮通過膠膜復(fù)合。 輻射器成形后，開展了聲學(xué)探傷檢測(cè)，未見不連續(xù)區(qū)域，驗(yàn)證了管路預(yù)埋的效果。

此外，在試驗(yàn)中利用紅外熱像儀獲得了可反映翅片管路與蒙皮之間耦合效果的二維圖像。 圖6 給出了試驗(yàn)過程中的輻射器正面熱像圖。 從圖中可以看出，預(yù)埋翅片管路與輻射器蒙皮之間復(fù)合良好，熱耦合狀態(tài)很均勻。

圖6 工況過程中的輻射器正面熱像圖Fig.6 Infrared photograph of testing radiator

4.3 溫度測(cè)量結(jié)果

試驗(yàn)測(cè)得的不同工況下輻射器正面溫度、背面溫度及進(jìn)出口溫度分別見表2～4。

4.4 傳熱熱阻計(jì)算

對(duì)于表1、表4 數(shù)據(jù)，利用式(1)計(jì)算出各工況下的輻射器散熱量。 將進(jìn)、出口溫度作算術(shù)平均，得到輻射器內(nèi)的工質(zhì)平均溫度。 對(duì)于表2、表3 數(shù)據(jù)，結(jié)合各測(cè)點(diǎn)布局情況作面積平均，得到各工況下的輻射器正面、背面溫度。 基于以上處理得到的數(shù)據(jù)，按式(3)得到8 個(gè)工況下的工質(zhì)至輻射器任一側(cè)面板的熱阻，如表5 所示。 對(duì)各工況得到的熱阻取算術(shù)平均值，可得平均熱阻為0.035 W/℃。

從表5 數(shù)據(jù)還可以看出：在相同的電加熱器加熱功率與相同的熱總線流量條件下，開啟風(fēng)扇后，輻射器散熱量都有明顯提高，說明工質(zhì)至輻射器面板的熱阻低于自然對(duì)流熱阻，但高于強(qiáng)迫對(duì)流熱阻。 在外部強(qiáng)迫對(duì)流條件和自然對(duì)流條件兩種條件下得到的熱阻相當(dāng)，無太大差異。

表2 輻射器正面溫度Table 2 Temperature of front surface /℃

4.5 誤差分析

本次試驗(yàn)中的誤差包括偶然誤差和系統(tǒng)誤差。

偶然誤差由加熱功率測(cè)量誤差、測(cè)溫誤差、不穩(wěn)定誤差組成。 試驗(yàn)設(shè)備和熱敏電阻均經(jīng)過標(biāo)檢與標(biāo)定，對(duì)試驗(yàn)溫度造成的偏差為±1 ℃，偶然誤差不超過5%。

系統(tǒng)誤差主要考慮熱敏電阻外部包覆橡塑海綿不能實(shí)現(xiàn)完全絕熱，從而產(chǎn)生的誤差。 根據(jù)試驗(yàn)各工況溫度數(shù)據(jù)與電加熱器功率數(shù)據(jù)，分析可知，系統(tǒng)誤差不超過1%。

因此，本次試驗(yàn)的總誤差在6%以內(nèi)。

5 結(jié)論

可展開輻射器是未來航天器散熱措施的重要發(fā)展方向，本文成功設(shè)計(jì)出一種曲面預(yù)埋管路輻射器，并完成了換熱性能實(shí)驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

表3 輻射器背面溫度Table 3 Temperature of back surface /℃

表4 輻射器進(jìn)出口溫度Table 4 Inlet and outlet temperature of radiator /℃

表5 工質(zhì)與輻射器面板之間的熱阻Table 5 Heat Resistance between fluid and radiator surface

1)試驗(yàn)紅外圖像顯示，預(yù)埋翅片管路與弧形輻射器蒙皮之間復(fù)合良好，熱耦合狀態(tài)很均勻，在曲面蜂窩板內(nèi)預(yù)埋翅片管路的輻射器構(gòu)型在工藝上可行；

2)工質(zhì)至輻射器面板的熱阻低于自然對(duì)流熱阻、但高于強(qiáng)迫對(duì)流熱阻的情況下，外部對(duì)流條件對(duì)熱阻測(cè)量的影響不大；

3)對(duì)于文章所述輻射器，預(yù)埋管路內(nèi)的工質(zhì)至輻射器面板的平均傳熱熱阻為0.035 W/℃，可滿足航天器工程應(yīng)用需求。